电机的地图

Neuropsychology

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Overview

资料来源: 乔纳斯 · 卡普兰和莎拉一、 贝尔实验室 — — 南加利福尼亚大学

脑组织的一项原则是信息的地形测绘中。特别是在感觉和运动神经皮层,相邻的大脑区域往往代表从相邻部位的身体,导致在大脑的表面表达身体的地图信息。主要的感觉和运动定位在大脑中围绕着突出的沟,称为中央沟。中央沟前的皮质称为中央前回和包含初级运动皮层,而皮质中央沟的后方称为端脑和包含主要的感觉皮层 (图 1)。

Figure 1
图 1: 中央沟周围的感觉和运动神经地图。初级运动皮层,其中包含身体的效应器电机地图,是中央沟,额叶中央前回前。初级的躯体感觉 (感官) 皮层,从身体外部的部分接收到触摸、 痛苦和温度信息,位于后部中央沟的顶叶脑桥脑。

在这个实验中,功能性神经影像用于演示电机地图在中央前回。这张地图通常被称为电机的侏儒,拉丁语里就是"小男人",因为它好像是一个小版本的一个自我代表在一个人的大脑的这部分。一个有趣的性质,这张地图是皮质空间更献给需要更精细的控制,如手和嘴,结果在这些附属物在皮层代表比例不相称的身体部位。由于电机系统的解剖结构,控制身体右侧的神经元,也在左的初级运动皮层,反之亦然。因此,当实验参与者被要求把右手或脚移,预期增加的活化对其左侧中央前回。

在这个实验中,参与者被要求交替移动他们的手和脚上的左、 右两边,用功能磁共振成像测量他们的大脑活动。由于功能磁共振成像信号依赖血液的含氧量,变化是缓慢与运动参与者作,运动的时间分隔的静止状态,以确保从彼此和休息的基线,可以区分各种条件。为了实现精确定时的运动,参与者都被指示何时开始和结束与一个视觉提示的每一个动作。在这个视频中的方法与所使用的几个功能磁共振成像研究证明了在初级运动皮层其中相近。1,2

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 神经心理学精要. 电机的地图. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Procedure

1.招募 20 名学员。

  1. 确认,参与者有没有神经或心理障碍的历史。
  2. 确认的参与者是所有用右手使用惯用手的问卷。
  3. 为确保与会者可以看到正确的视觉线索,确保他们有正常或矫正到正常视力。
  4. 请确保与会者在他们的身体有没有金属。这是由于所涉及的功能磁共振成像在高磁场中重要的安全要求。
  5. 由于磁共振成像需要躺在扫描仪的小空间孔,确认,与会者不患上幽闭恐惧症。

2.预扫描程序

  1. 填写预扫描的文书工作。
  2. 当参与者对其功能磁共振成像扫描进来时,让他们金属屏幕窗体,以确保他们有没有反适应症为 MRI,给予同意,由放射科医生,并同意表格,详细列出的风险和益处的研究看他们扫描的附带结果窗体第一次填写。
  3. 有从他们的身体 (包括皮带、 钱包、 手机、 发夹、 硬币和所有珠宝) 中删除所有金属准备去在扫描仪的参与者。

3.提供指令的参与者。

  1. 告诉参与者,当他们看到一只手在屏幕上,它们将开始移动他们的手,直到视觉提示消失。告知参与者手运动涉及触摸到每个手指的秩序和重复此按相反的顺序在同一只手的拇指。当提示出现在屏幕的左边时,他们移动他们的左手,,当提示出现在屏幕的右侧,他们来移动他们的右手。
  2. 告诉参与者,当他们在屏幕上看到了一只脚,他们将在开始移动他们的脚和继续这样做,直到视觉提示消失。告知参与者脚运动涉及反复压脚,仿佛在想象中的踏板上按。当提示出现在屏幕的左边时,他们移动他们的左脚,,当提示出现在屏幕的右侧,他们来移动他们的右脚。
  3. 强调对参与者保持其头部不动,尽管他们正在他们的手或脚的重要性。

4.引导参与者放进扫描仪。

  1. 给参与者的耳塞 (以保护他们的耳朵从扫描仪的噪声) 和耳机 (要穿,所以他们可以在扫描期间听到实验者),并让他们躺在床上,他们的头线圈中。
  2. 给参与者紧急挤压球并指导他们挤它在紧急情况下在扫描期间。
  3. 安全带有泡沫垫提醒参与者,它是非常重要的是保持尽可能保持在扫描,甚至最小的运动模糊图像,扫描期间,避免过量运动线圈中的参与者的头。

5.数据收集

  1. 收集高分辨率的解剖扫描。
  2. 开始扫描功能。
    1. 扫描仪的开头同步刺激演示文稿的开始。
    2. 目前视觉线索通过一台笔记本电脑连接到投影仪。参与者应该有一个镜子上面他们眼中,反映在扫描仪屏幕孔。
    3. 目前每个视觉提示为 12 s,紧接着 12 s 的休息的基线。左手、 右手、 左脚和右脚之间交替。
    4. 重复每个条件,为 6.5 分钟共四个的重复。

6.后扫描程序

  1. 带出扫描仪参与者。
  2. 听取汇报的参与者。
  3. 支付的参与者。

7.数据分析

  1. 数据进行预处理。
    1. 执行运动校正,以减少运动伪影。
    2. 执行时间的筛选,以删除信号漂移。
    3. 平滑的数据来提高信号的信噪比。
  2. 每个参与者模型数据。
    1. 创建一个模型的预期血流动力学响应应该为每个任务的条件。
    2. 适合这种模式,使得统计地图,其中每个像素的值表示的程度,那素参与了任务条件的数据。
    3. 结合数据跨参与者注册标准图集参与者的大脑。
  3. 横跨主题数据组水平分析结合统计地图。

电机信息是按初级运动皮层,在大脑中创建地形图的解剖分裂组织。

位于中央前回,皮质的表现的身体被组织成一个电机的侏儒 — —"小男子汉"— — 设有倒的方式,这样在内侧墙上发现了控制脚趾的领域和舌头位于靠近外侧沟。

此外,需要更精细的自愿电机控制,如手和其相关联的数字的身体部位具有较大的表示形式皮层,相比的解剖学特点,不需要这种精确的操控 — — 喜欢臀部。

这个小矮人也脑侧面的中左的初级运动皮层的神经元 — — 此处所示 — — 控制身体的右侧,反之亦然。因此,当个人移动他们的右臀,还有增加皮层激活上一个离散的区域内其左侧中央前回。

此视频详细介绍使用现代的功能性神经影像展示人类初级运动皮层,包括如何收集和分析大脑的活动,参与者将他们的手或脚的时候身体映射组织实验。

在这个实验中,用功能磁共振成像,简称功能磁共振成像,而参与者都反复提示移动不同身体部位测量大脑活动 — — 喜欢上他们的左手或右手的数字。

这种技术依靠血液氧含量,简称为粗体的变化 — — 血液血氧水平依赖 — — 响应。深入的看看这种方法背后的原则,请参阅另一个视频中朱庇特的 SciEd 要点的神经集合,功能磁共振成像: 功能性磁共振成像

在这里,提出当身体部位,如左脚,弯曲来来回回,含氧的脑血流量 — — 由大脑中动脉供应 — — 增加对这一运动,期间处于活动状态的神经区域喜欢初级运动皮层。

然而,这种血流动力学反应比实际的物理运动,认股权证用休息时间分隔行动慢慢地发生了。

因此,每个身体运动精确地计时来区分不同的四个条件之一: 左手、 左脚、 右手和右脚。

例如,在功能磁共振成像机参与者必须开始打手势他们的左手,一出现在演示文稿屏幕的左侧。

所需的手运动其实复杂,且涉及触摸到每个手指,用指针开始按顺序拇指。然后,参与者必须重复这些操作在相反的方向,开始与小指。

运动停止时的提示 — — 在这个实例中,左手的图片 — — 从屏幕上消失。

同样,当他们看到在右边的一只脚,他们被奉命将其右脚移动通过压低反复,直到图像消失。

在这里,因变量是反应的大胆强度后从手或脚,然后可以到特定大脑区域本地化的运动。

左手运动,大脑激活主要预计右背外侧表面的中央前回。相比之下,右手运动,大脑激活预计左背外侧表面上。这些结果会配合侧电机侏儒。

在实验中,招募参与者人都惯用右手之前, 正常或矫正到正常视力,没有任何金属植入物在自己的身体,或患上幽闭恐惧症由于实验控制和安全问题。

让他们填写预扫描的文书工作,包括会议期间,如同意为放射科医生来看看他们在偶然的发现,以及详细的风险和益处的研究的情况下的图像与健康和安全问题有关的问题。

要求参与者也从他们的身体中删除所有的金属物品 — — 包括手表、 手机、 钱包、 钥匙、 皮带和硬币 — — 准备进入扫描室。

下一步,解释任务规则: 他们需要移动的附庸 — — 在这种情况下他们的脚 — — 将显示为屏幕的相应一边的可视提示。表明他们应如何推动他们的脚通过重复按它下来,仿佛在想象中的踏板上推。

当手提示出现时,他们必须触摸到每个手指的顺序在同一只手的拇指,然后重复此按相反的顺序。

现在,带入了成像的房间的参与者。提供耳塞来保护他们的耳朵从噪音和耳机,以便他们能听到任何额外的通信,在会议期间。让他们和他们的头线圈中床上,躺下来安全与泡沫垫,避免过量运动,扫描过程中模糊。

参与者的眼睛上方放置一面镜子,反映了一个屏幕后面扫描仪孔。然后,给他们握着一个球在紧急情况下使用。也提醒他们,它是非常重要的是保持作为仍然尽可能的整个时间。

后指导参与者在机器内部,首先收集高分辨率、 解剖图像。要开始的功能部分,与扫描仪开始同步刺激演示文稿。

目前视觉线索通过一台笔记本电脑连接到投影仪,每次为期 12 s,紧接着 12 s 的休息的基线。交替的四个条件: 左手、 右手、 左脚和右脚 — — 6.5 分钟内重复每个四倍。

完成扫描后,走出了房间的直接参与者。听取他们的汇报和对其参与研究提供赔偿。

分析的第一步,预处理数据通过执行运动校正,以减少工件,筛选,以删除信号漂移,时空分布平滑,提高信号的信噪比。

利用这些数据,创建每个任务条件的预期血流动力学响应的模型。然后,适合这种模式,每个议题,使得统计地图数据在哪里在每个像素值 — — 卷 3D 像素 — — 表示,那素参与的任务条件的程度。

为合并的数据在每个参与者注册标准图集参与者的大脑。然后,将所有统计地图组合跨组水平分析参与者。请注意,血流量的变化由大脑表面上不同的颜色。

运动的右手,用蓝色显示,产生最大激活的左外侧表面的中央前回,而从事的左手,用绿色,表示的产生最大激活的右外侧的表面。

此外,弯曲右脚,由浅蓝色表示产生左内侧表面上,同时左脚动作,黄色最大激活激活,右内侧表面。

这些结果表明电机操作可本地化到离散区域的两个半球,配套电机侏儒初级运动皮层。

既然你已经熟悉执行功能磁共振成像实验观察的初级运动皮层组织,让我们考虑一下如何大脑管理运动损伤,或后假肢的附件。

向左的中央前回,脑卒中,如损伤可导致移动身体右侧的困难。

当你学会在这个视频中,受到影响的具体部分取决于伤害的程度: 障碍可能很小,并影响单个手指,或大到足以影响所有的数字和整个手臂。

虽然陈述似乎很简单,在初级运动皮层不是单独工作,因为它是只是部分地区所涉及的选择、 规划和协调的运动更广泛网络内。因此,本地化损害不可能像看起来的那么容易。

一个潜在的治疗方法,为改善肢体功能的被截肢者涉及脑-计算机接口。这种技术上先进的方法基于肌电图,或 EMG 信号 — — 运动神经元和肌肉运动之间的电气通信。

研究人员正在开发的方法来集成 EMG 记录与下肢假肢更加无缝地控制电机的行为,像站立,或甚至行走上一个斜坡。

你刚看了朱庇特的简介电机地图。现在你应该有好的理解如何设计和进行功能磁共振成像实验中,以及最后如何分析和解释大脑激活的结果。

谢谢观赏 !

Results

在这个实验中,研究人员测量大脑活动的功能性磁共振成像,虽然与会者移动他们的手或脚。统计分析中的血流量变化是由标准图集大脑表面上不同的颜色表示。颜色确定体素,其时间课程最佳匹配预测的时间课程的特定条件。

结果表明不同的激活病灶内的中央前回的肢体运动的不同 (图 2)。右手的运动产生回 (蓝色),左外侧表面上的最大激活而左手运动产生的最大激活右外侧表面 (绿色)。当参与者移动他们的脚时,激活是最大的中央前回将周围扩展到大脑的内侧表面。右脚运动产生激活的左内侧的表面 (青色),而左脚动作最大激活了右内侧表面 (黄色)。

Figure 2
图 2: 脑激活引起的手和脚的运动,在参与者。蓝色 = 运动的右手;绿色 = 运动的左手;青色 = 运动右脚;黄色 = 左足运动。

Applications and Summary

这些结果表明皮层或人类的初级运动皮层映射的身体组织。这种映射已对损害大脑是如何影响运动的影响。例如,向左侧中央前回损伤导致移动身体,右侧的困难和影响的初级运动皮层的特定部分可以导致控制身体的特定部位出现的问题。然而,它也是重要的是注意初级运动皮层是唯一的许多脑区参与运动的控制。中央前回是更广泛的参与选择、 规划和协调运动的大脑区域网络的一部分。

能力来衡量运动区皮质效应器特定活动也导致脑-机接口,例如那些允许控制假肢的可能性。例如,使用在初级运动皮层的神经元直接录音,研究者已经证明猴子可以控制假肢来养活自己。3

References

  1. Lotze, M., et al. fMRI evaluation of somatotopic representation in human primary motor cortex. Neuroimage 11, 473-481 (2000).
  2. Rao, S.M., et al. Somatotopic mapping of the human primary motor cortex with functional magnetic resonance imaging. Neurology 45, 919-924 (1995).
  3. Velliste, M., Perel, S., Spalding, M.C., Whitford, A.S. & Schwartz, A.B. Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature 453, 1098-1101 (2008).

1.招募 20 名学员。

  1. 确认,参与者有没有神经或心理障碍的历史。
  2. 确认的参与者是所有用右手使用惯用手的问卷。
  3. 为确保与会者可以看到正确的视觉线索,确保他们有正常或矫正到正常视力。
  4. 请确保与会者在他们的身体有没有金属。这是由于所涉及的功能磁共振成像在高磁场中重要的安全要求。
  5. 由于磁共振成像需要躺在扫描仪的小空间孔,确认,与会者不患上幽闭恐惧症。

2.预扫描程序

  1. 填写预扫描的文书工作。
  2. 当参与者对其功能磁共振成像扫描进来时,让他们金属屏幕窗体,以确保他们有没有反适应症为 MRI,给予同意,由放射科医生,并同意表格,详细列出的风险和益处的研究看他们扫描的附带结果窗体第一次填写。
  3. 有从他们的身体 (包括皮带、 钱包、 手机、 发夹、 硬币和所有珠宝) 中删除所有金属准备去在扫描仪的参与者。

3.提供指令的参与者。

  1. 告诉参与者,当他们看到一只手在屏幕上,它们将开始移动他们的手,直到视觉提示消失。告知参与者手运动涉及触摸到每个手指的秩序和重复此按相反的顺序在同一只手的拇指。当提示出现在屏幕的左边时,他们移动他们的左手,,当提示出现在屏幕的右侧,他们来移动他们的右手。
  2. 告诉参与者,当他们在屏幕上看到了一只脚,他们将在开始移动他们的脚和继续这样做,直到视觉提示消失。告知参与者脚运动涉及反复压脚,仿佛在想象中的踏板上按。当提示出现在屏幕的左边时,他们移动他们的左脚,,当提示出现在屏幕的右侧,他们来移动他们的右脚。
  3. 强调对参与者保持其头部不动,尽管他们正在他们的手或脚的重要性。

4.引导参与者放进扫描仪。

  1. 给参与者的耳塞 (以保护他们的耳朵从扫描仪的噪声) 和耳机 (要穿,所以他们可以在扫描期间听到实验者),并让他们躺在床上,他们的头线圈中。
  2. 给参与者紧急挤压球并指导他们挤它在紧急情况下在扫描期间。
  3. 安全带有泡沫垫提醒参与者,它是非常重要的是保持尽可能保持在扫描,甚至最小的运动模糊图像,扫描期间,避免过量运动线圈中的参与者的头。

5.数据收集

  1. 收集高分辨率的解剖扫描。
  2. 开始扫描功能。
    1. 扫描仪的开头同步刺激演示文稿的开始。
    2. 目前视觉线索通过一台笔记本电脑连接到投影仪。参与者应该有一个镜子上面他们眼中,反映在扫描仪屏幕孔。
    3. 目前每个视觉提示为 12 s,紧接着 12 s 的休息的基线。左手、 右手、 左脚和右脚之间交替。
    4. 重复每个条件,为 6.5 分钟共四个的重复。

6.后扫描程序

  1. 带出扫描仪参与者。
  2. 听取汇报的参与者。
  3. 支付的参与者。

7.数据分析

  1. 数据进行预处理。
    1. 执行运动校正,以减少运动伪影。
    2. 执行时间的筛选,以删除信号漂移。
    3. 平滑的数据来提高信号的信噪比。
  2. 每个参与者模型数据。
    1. 创建一个模型的预期血流动力学响应应该为每个任务的条件。
    2. 适合这种模式,使得统计地图,其中每个像素的值表示的程度,那素参与了任务条件的数据。
    3. 结合数据跨参与者注册标准图集参与者的大脑。
  3. 横跨主题数据组水平分析结合统计地图。

电机信息是按初级运动皮层,在大脑中创建地形图的解剖分裂组织。

位于中央前回,皮质的表现的身体被组织成一个电机的侏儒 — —"小男子汉"— — 设有倒的方式,这样在内侧墙上发现了控制脚趾的领域和舌头位于靠近外侧沟。

此外,需要更精细的自愿电机控制,如手和其相关联的数字的身体部位具有较大的表示形式皮层,相比的解剖学特点,不需要这种精确的操控 — — 喜欢臀部。

这个小矮人也脑侧面的中左的初级运动皮层的神经元 — — 此处所示 — — 控制身体的右侧,反之亦然。因此,当个人移动他们的右臀,还有增加皮层激活上一个离散的区域内其左侧中央前回。

此视频详细介绍使用现代的功能性神经影像展示人类初级运动皮层,包括如何收集和分析大脑的活动,参与者将他们的手或脚的时候身体映射组织实验。

在这个实验中,用功能磁共振成像,简称功能磁共振成像,而参与者都反复提示移动不同身体部位测量大脑活动 — — 喜欢上他们的左手或右手的数字。

这种技术依靠血液氧含量,简称为粗体的变化 — — 血液血氧水平依赖 — — 响应。深入的看看这种方法背后的原则,请参阅另一个视频中朱庇特的 SciEd 要点的神经集合,功能磁共振成像: 功能性磁共振成像

在这里,提出当身体部位,如左脚,弯曲来来回回,含氧的脑血流量 — — 由大脑中动脉供应 — — 增加对这一运动,期间处于活动状态的神经区域喜欢初级运动皮层。

然而,这种血流动力学反应比实际的物理运动,认股权证用休息时间分隔行动慢慢地发生了。

因此,每个身体运动精确地计时来区分不同的四个条件之一: 左手、 左脚、 右手和右脚。

例如,在功能磁共振成像机参与者必须开始打手势他们的左手,一出现在演示文稿屏幕的左侧。

所需的手运动其实复杂,且涉及触摸到每个手指,用指针开始按顺序拇指。然后,参与者必须重复这些操作在相反的方向,开始与小指。

运动停止时的提示 — — 在这个实例中,左手的图片 — — 从屏幕上消失。

同样,当他们看到在右边的一只脚,他们被奉命将其右脚移动通过压低反复,直到图像消失。

在这里,因变量是反应的大胆强度后从手或脚,然后可以到特定大脑区域本地化的运动。

左手运动,大脑激活主要预计右背外侧表面的中央前回。相比之下,右手运动,大脑激活预计左背外侧表面上。这些结果会配合侧电机侏儒。

在实验中,招募参与者人都惯用右手之前, 正常或矫正到正常视力,没有任何金属植入物在自己的身体,或患上幽闭恐惧症由于实验控制和安全问题。

让他们填写预扫描的文书工作,包括会议期间,如同意为放射科医生来看看他们在偶然的发现,以及详细的风险和益处的研究的情况下的图像与健康和安全问题有关的问题。

要求参与者也从他们的身体中删除所有的金属物品 — — 包括手表、 手机、 钱包、 钥匙、 皮带和硬币 — — 准备进入扫描室。

下一步,解释任务规则: 他们需要移动的附庸 — — 在这种情况下他们的脚 — — 将显示为屏幕的相应一边的可视提示。表明他们应如何推动他们的脚通过重复按它下来,仿佛在想象中的踏板上推。

当手提示出现时,他们必须触摸到每个手指的顺序在同一只手的拇指,然后重复此按相反的顺序。

现在,带入了成像的房间的参与者。提供耳塞来保护他们的耳朵从噪音和耳机,以便他们能听到任何额外的通信,在会议期间。让他们和他们的头线圈中床上,躺下来安全与泡沫垫,避免过量运动,扫描过程中模糊。

参与者的眼睛上方放置一面镜子,反映了一个屏幕后面扫描仪孔。然后,给他们握着一个球在紧急情况下使用。也提醒他们,它是非常重要的是保持作为仍然尽可能的整个时间。

后指导参与者在机器内部,首先收集高分辨率、 解剖图像。要开始的功能部分,与扫描仪开始同步刺激演示文稿。

目前视觉线索通过一台笔记本电脑连接到投影仪,每次为期 12 s,紧接着 12 s 的休息的基线。交替的四个条件: 左手、 右手、 左脚和右脚 — — 6.5 分钟内重复每个四倍。

完成扫描后,走出了房间的直接参与者。听取他们的汇报和对其参与研究提供赔偿。

分析的第一步,预处理数据通过执行运动校正,以减少工件,筛选,以删除信号漂移,时空分布平滑,提高信号的信噪比。

利用这些数据,创建每个任务条件的预期血流动力学响应的模型。然后,适合这种模式,每个议题,使得统计地图数据在哪里在每个像素值 — — 卷 3D 像素 — — 表示,那素参与的任务条件的程度。

为合并的数据在每个参与者注册标准图集参与者的大脑。然后,将所有统计地图组合跨组水平分析参与者。请注意,血流量的变化由大脑表面上不同的颜色。

运动的右手,用蓝色显示,产生最大激活的左外侧表面的中央前回,而从事的左手,用绿色,表示的产生最大激活的右外侧的表面。

此外,弯曲右脚,由浅蓝色表示产生左内侧表面上,同时左脚动作,黄色最大激活激活,右内侧表面。

这些结果表明电机操作可本地化到离散区域的两个半球,配套电机侏儒初级运动皮层。

既然你已经熟悉执行功能磁共振成像实验观察的初级运动皮层组织,让我们考虑一下如何大脑管理运动损伤,或后假肢的附件。

向左的中央前回,脑卒中,如损伤可导致移动身体右侧的困难。

当你学会在这个视频中,受到影响的具体部分取决于伤害的程度: 障碍可能很小,并影响单个手指,或大到足以影响所有的数字和整个手臂。

虽然陈述似乎很简单,在初级运动皮层不是单独工作,因为它是只是部分地区所涉及的选择、 规划和协调的运动更广泛网络内。因此,本地化损害不可能像看起来的那么容易。

一个潜在的治疗方法,为改善肢体功能的被截肢者涉及脑-计算机接口。这种技术上先进的方法基于肌电图,或 EMG 信号 — — 运动神经元和肌肉运动之间的电气通信。

研究人员正在开发的方法来集成 EMG 记录与下肢假肢更加无缝地控制电机的行为,像站立,或甚至行走上一个斜坡。

你刚看了朱庇特的简介电机地图。现在你应该有好的理解如何设计和进行功能磁共振成像实验中,以及最后如何分析和解释大脑激活的结果。

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